一种光纤振荡器的制作方法

1.本技术涉及光纤技术领域，具体涉及一种光纤振荡器。


背景技术：

2.飞秒激光器是一种脉冲激光器，飞秒是指的脉冲持续时间。飞秒是一种时间单位，1飞秒只有1秒的一千万亿分之一，即1e
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15秒或0.001皮秒(1皮秒是，1e
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12秒)。
3.飞秒光纤激光器应用中，1μm波段高重复频率(>500mhz)飞秒光纤激光器的“烧蚀冷却”效应能够提高加工的效率和降低热影响区的大小。目前的1μm波段的高重复频率(>500mhz)锁模光纤振荡器，多数采用自制增益光纤来搭建，这样容易受到生产批次不一致性的影响；另外，这些振荡器输出的脉宽难以达到飞秒量级，这在更精细的工业加工应用当中受到限制。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种光纤振荡器，通过可饱和吸收体被动锁模方式实现锁模，能够输出飞秒量级的脉宽，实现高功率输出。
5.本技术实施例的一方面，提供了一种光纤振荡器，包括增益光纤和设在所述增益光纤第一端的第一激光光源，所述增益光纤形成半环形结构，所述增益光纤的相对侧设有空间隔离器，所述空间隔离器和所述增益光纤形成环形光路，所述空间隔离器的一侧还设有线性臂，所述线性臂的主光轴和所述空间隔离器的主光轴同轴设置；所述线性臂包括位于所述线性臂的光路末端的反射镜，所述反射镜为可饱和吸收体材料；所述第一激光光源出射的激光束经所述增益光纤正向泵浦后，由所述增益光纤的第二端出射，出射的一部分所述激光束依次经所述空间隔离器的光路末端和所述线性臂，由所述反射镜反射，再依次经过所述线性臂、空间隔离器，从所述增益光纤的第一端进入所述环形光路，出射的另一部分所述激光束经所述空间隔离器的光路末端输出。
6.可选地，所述线性臂还包括沿主光轴方向依次设置的四分之一波片和平凸透镜，所述反射镜位于所述平凸透镜远离所述四分之一波片的一侧。
7.可选地，所述空间隔离器包括沿主光轴方向依次设置的第一偏振分光棱镜、旋光器、第一半波片和第二偏振分光棱镜，出射的另一部分所述激光束经所述第二偏振分光棱镜输出。
8.可选地，所述增益光纤的第一端设有第一波分复用准直器，所述第一激光光源和所述第一波分复用准直器连接。
9.可选地，所述第一波分复用准直器和所述第一偏振分光棱镜之间设有光栅，所述光栅的入射角为30
°
～40
°
。
10.可选地，所述光栅包括两个，两个所述光栅平行设置，且两个所述光栅之间的间距为5mm～6mm。
11.可选地，所述增益光纤的第二端设有第二激光光源，所述第二激光光源出射的激
光经所述增益光纤反向泵浦后，由所述增益光纤的第二端出射，出射的一部分所述激光束依次经所述空间隔离器的光路末端和所述线性臂，由所述反射镜反射，再依次经过所述线性臂、空间隔离器，从所述增益光纤的第一端进入所述环形光路，出射的另一部分所述激光束经所述空间隔离器的光路末端输出，所述第一激光光源和所述第二激光光源的脉冲频率相同。
12.可选地，所述增益光纤的第二端设有第二波分复用准直器，所述第二激光光源和所述第二波分复用准直器连接。
13.可选地，所述第二波分复用准直器和所述第二偏振分光棱镜之间设有第二半波片。
14.可选地，所述第一激光光源和所述第二激光光源均为单模光纤激光二极管，所述增益光纤为保偏增益光纤。
15.本技术实施例提供的光纤振荡器，半环形结构的增益光纤和增益光纤相对侧的空间隔离器形成环形光路，在空间隔离器的一侧设有线性臂，线性臂的主光轴和空间隔离器的主光轴同轴设置，线性臂沿环形光路的一侧竖直伸出，以和环形光路形成σ腔型结构，其中线性臂包括位于线性臂的光路末端的反射镜，反射镜为可饱和吸收体材料，将可饱和吸收体材料的反射镜放入σ腔型结构，实现利用可饱和吸收体被动锁模(sesam)，使本技术的光纤振动器产生极短时间的激光脉冲。增益光纤的第一端设有第一激光光源，第一激光光源出射的激光束经增益光纤正向泵浦后，由增益光纤的第二端出射，出射的一部分激光束依次经空间隔离器的光路末端和线性臂，由反射镜反射，再依次经过线性臂、空间隔离器，从增益光纤的第一端进入环形光路，出射的另一部分激光束经空间隔离器的光路末端输出腔外，进入增益光纤的激光束再依次经空间隔离器的光路末端和线性臂，由反射镜反射，再依次进入线性臂、空间隔离器，从增益光纤的第一端进入环形光路，在腔内往复循环；循环的激光束至空间隔离器的光路末端输出腔外，形成在σ腔型结构内往复循环并由空间隔离器的光路末端往复循环输出的光路结构。由于进入腔内的激光束，频率被放大，再经空间隔离器的光路末端输出腔外，因此本技术实施例提供的光纤振荡器能输出更高功率的激光束；并且，形成的σ腔型结构使得腔长短，增益光纤的长度小，激光束沿腔内传播的周期短，因此重频率高，能实现高重频飞秒脉冲输出。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
17.图1是本实施例提供的光纤振荡器结构示意图；
18.图2是本实施例提供的光纤振荡器第一激光光源的光路图；
19.图3是本实施例提供的光纤振荡器第二激光光源的光路图。
20.图标：1
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第一激光光源；2
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第一无源光纤；3
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第一波分复用准直器；4、5
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光栅；6
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第一偏振分光棱镜；7
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旋光器；8
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第一半波片；9
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第二偏振分光棱镜；10
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四分之一波片；11
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平凸透镜；12
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反射镜；13
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第二半波片；14
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第二波分复用准直器；15
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第二激光光源；16
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第二
无源光纤；17
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增益光纤。
具体实施方式
21.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
22.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
23.还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
24.请参照图1，本技术实施例提供一种光纤振荡器，包括增益光纤17和设在增益光纤17第一端的第一激光光源1，增益光纤17形成半环形结构，增益光纤17的相对侧设有空间隔离器，空间隔离器和增益光纤17形成环形光路，空间隔离器的一侧还设有线性臂，线性臂的主光轴和空间隔离器的主光轴同轴设置；线性臂包括位于线性臂的光路末端的反射镜12，反射镜12为可饱和吸收体材料；第一激光光源1出射的激光束经增益光纤17正向泵浦后，由增益光纤17的第二端出射，出射的一部分激光束依次经过空间隔离器的光路末端和线性臂，经反射镜12反射，再依次经过空间隔离器和线性臂，从增益光纤17的第一端进入环形光路，出射的另一部分激光束经空间隔离器的光路末端输出。
25.增益光纤17形成半环形结构，在半环形结构的开口侧设置有空间隔离器，空间隔离器和增益光纤17形成环形光路，空间隔离器的下方设有线性臂，线性臂的主光轴和空间隔离器的主光轴共线，相当于线性臂沿环形光路的一侧竖直伸出，线性臂和环形光路可形成σ腔型结构，以形成紧凑型的谐振腔。
26.其中，线性臂包括反射镜12，反射镜12为可饱和吸收体材料，因此，反射镜12相当于半导体可饱和吸收体，通过将可饱和吸收体材料的反射镜12放入σ腔型结构，以实现利用可饱和吸收体被动锁模(sesam)，能产生极短时间的激光脉冲。可饱和吸收体是一种非线性吸收介质，它对激光频率有吸收跃迁的特性和较大的吸收截面，一旦激光器的辐射脉冲入射到这种吸收体，则吸收体分子吸收激光辐射，随着激光强度的增加，它的上能级粒子数也增加，当激光强度大于吸收体的饱和强度时，吸收体达到饱和，使强度最大的激光脉冲经受最小的损耗而自由通过它，从而得到很强的锁模脉冲。本技术利用可饱和吸收体被动锁模(sesam)，能够获得输出功率500mw、脉宽小于200fs、重复频率500mhz的锁模脉冲，能够实现自启动，具有可重复性。并且利用这种紧凑的σ腔型结构，通过优化机械结构和机壳设计，能够将重频提升至ghz以上。
27.另外，本技术的增益光纤17为高掺杂商用保偏增益光纤17，采用全保偏结构，与非保偏光纤相比，具有较好的环境免疫能力，不易受振动和温度漂移等环境扰动的影响。
28.第一激光光源1出射激光束，激光束经增益光纤17正向泵浦后，由增益光纤17的第
二端出射，出射的激光束中，一部分依次经空间隔离器的光路末端和线性臂，当激光束经过线性臂的反射镜12时，被反射镜12反射后沿线性臂的主光轴返回，并沿空间隔离器、增益光纤17的第一端返回环形光路，继续在腔内循环；出射的激光束中，另一部分由空间隔离器的光路末端输出腔外，腔内循环的激光束至空间隔离器的光路末端输出腔外，形成在σ腔型结构内往复循环并由空间隔离器的光路末端往复循环输出的光路结构。
29.进入σ腔型结构内的激光束，频率被放大，再经空间隔离器的光路末端输出腔外，因此能输出更高功率的激光束。另一方面，本技术实施例提供的光纤振荡器形成σ腔型结构，σ腔型结构的腔长短，相应地，增益光纤17的长度小，长度可小于15cm，激光束在腔内的传播周期短，因此重频率高，本技术实施例提供的光纤振荡器能实现500mhz以上的高重频飞秒脉冲输出。
30.本技术实施例提供的光纤振荡器，半环形结构的增益光纤17和增益光纤17相对侧的空间隔离器形成环形光路，在空间隔离器的一侧设有线性臂，线性臂的主光轴和空间隔离器的主光轴同轴设置，线性臂沿环形光路的一侧竖直伸出，以和环形光路形成σ腔型结构，其中线性臂包括位于线性臂的光路末端的反射镜12，反射镜12为可饱和吸收体材料，将可饱和吸收体材料的反射镜12放入σ腔型结构，实现利用可饱和吸收体被动锁模(sesam)，使本技术的光纤振动器产生极短时间的激光脉冲。增益光纤17的第一端设有第一激光光源1，第一激光光源1出射的激光束经增益光纤17正向泵浦后，由增益光纤17的第二端出射，出射的一部分激光束依次经空间隔离器的光路末端和线性臂，由反射镜12反射，再依次经过线性臂、空间隔离器，从增益光纤17的第一端进入环形光路，出射的另一部分激光束经空间隔离器的光路末端输出腔外，进入增益光纤17的激光束再依次经空间隔离器的光路末端和线性臂，由反射镜12反射，再依次进入线性臂、空间隔离器，从增益光纤17的第一端进入环形光路，在腔内往复循环；循环的激光束至空间隔离器的光路末端输出。由于进入腔内的激光束，频率被放大，再经空间隔离器的光路末端输出腔外，因此本技术实施例提供的光纤振荡器能输出更高功率的激光束；并且，形成的σ腔型结构使得腔长短，增益光纤17的长度小，激光束沿腔内传播的周期短，因此重频率高，能实现高重频飞秒脉冲输出。
31.具体地，线性臂还包括沿主光轴方向依次设置的四分之一波片10和平凸透镜11，反射镜12位于平凸透镜11远离四分之一波片10的一侧。
32.四分之一波片10、平凸透镜11和反射镜12依次设置构成线性臂，沿主光轴旋转四分之一波片10，可以使经过空间隔离器竖直向下传输的s偏振的光转变成p偏振态，从而透过空间隔离器的第二偏振分光棱镜9竖直向上传输由增益光纤17的第一端返回环形光路。激光束通过平凸透镜11，聚集至反射镜12，发生可饱和吸收作用。
33.激光束竖直向下传输时，经过四分之一波片10，改变激光束的线偏振，到达反射镜12返回时，再次经过四分之一波片10，激光束两次经过四分之一波片10，四分之一波片10相当于变成半波片。
34.空间隔离器包括沿主光轴方向依次设置的第一偏振分光棱镜6、旋光器7、第一半波片8和第二偏振分光棱镜9，出射的另一部分激光束经第二偏振分光棱镜9输出。
35.通过旋转第一半波片8，可以保证由反射镜12返回的激光束依次沿着线性臂、空间隔离器逆时针方向运转回至增益光纤17的第一端，由此进入环形光路，在腔内循环。
36.增益光纤17的第一端设有第一波分复用准直器3，第一激光光源1通过第一无源光
纤2和第一波分复用准直器3连接，其中第一无源光纤2所用型号可为hi1060光纤。
37.第一波分复用准直器3的两个中心波长分别为980nm和1030nm，第一波分复用准直器3和第一偏振分光棱镜6之间设有光栅，光栅的入射角为30
°
～40
°
。
38.在本技术的一个实施例中，光栅的数量可为两个，两个光栅分别为平行设置的光栅4和光栅5，且两个光栅之间的间距为5mm～6mm。
39.光栅为光纤振荡器提供色散补偿，以获得飞秒激光的输出，光栅为透射型衍射光栅，用以改变色散。
40.增益光纤17的第二端设有第二激光光源15，第二激光光源15出射的激光经增益光纤17反向泵浦后，由增益光纤17的第二端出射，出射的一部分激光束依次经空间隔离器的光路末端和线性臂，由反射镜12反射，再依次经过线性臂、空间隔离器，从增益光纤17的第一端进入环形光路，出射的另一部分激光束经空间隔离器的光路末端输出腔外，进入增益光纤17的激光束再依次经空间隔离器的光路末端和线性臂，由反射镜12反射，再依次进入线性臂、空间隔离器，从增益光纤17的第一端进入环形光路，在腔内往复循环；循环的激光束至空间隔离器的光路末端输出，其中，第一激光光束和第二激光光束的脉冲频率相同。
41.第一激光光源1和第二激光光源15分别设在增益光纤17的第一端和第二管，以分别出射激光束，第一激光光源1和第二激光光源15可均为单模光纤激光二极管。第一激光光源1和第二激光光源15可单独启动，也可同时启动，针对需要很高的泵浦功率需求的场合，第一激光光源1和第二激光光源15同时启动、同时发光，因此第一激光光束和第二激光光束的脉冲频率相同。
42.增益光纤17的第二端设有第二波分复用准直器14，第二激光光源15通过第二无源光纤16和第二波分复用准直器14连接。第二无源光纤16和第一无源光纤2的设置相同，第二波分复用准直器14和第一波分复用准直器3的设置相同，此处不再赘述。
43.请参照图2，第一激光光源1启动后，第一激光光源1出射的激光束经第一无源光纤2后进入第一波分复用准直器3，再经第一波分复用准直器3进入增益光纤17，经增益光纤17正向泵浦后，由增益光纤17的第二端出射，出射的一部分激光束依次经第二偏振分光棱镜9、四分之一波片10、平凸透镜11，反射镜12，由反射镜12反射，再依次经过平凸透镜11、四分之一波片10、第二偏振分光棱镜9、第一半波片8、旋光器7、第一偏振分光棱镜6、光栅5、光栅4，从增益光纤17的第一端进入环形光路，在腔内往复循环；出射的另一部分激光束经第二偏振分光棱镜9输出腔外。
44.第一激光光源1出射的激光束进入增益光纤17，还有一部分激光束经增益光纤17反向泵浦，由第一波分复用准直器3依次进入光栅4、光栅5、第一偏振分光棱镜6、旋光器7、第一半波片8、第二偏振分光棱镜9，由第二偏振分光棱镜9水平输出腔外，但是这部分激光束未进入腔内循环直接由第二偏振分光棱镜9水平输出，因此这部分激光束没有放大频率的效果，输出后不能应用于高重频飞秒脉冲输出。
45.请参照图3，第二激光光源15启动后，第二激光光源15出射的激光束经第二无源光纤16后进入第二波分复用准直器14，再经第二波分复用准直器14进入增益光纤17，经增益光纤17反向泵浦后，由增益光纤17的第二端出射，出射的一部分激光束依次经第二偏振分光棱镜9、四分之一波片10、平凸透镜11，反射镜12，由反射镜12反射，再依次经过平凸透镜11、四分之一波片10、第二偏振分光棱镜9、第一半波片8、旋光器7、第一偏振分光棱镜6、光
栅5、光栅4，从增益光纤17的第一端进入环形光路，在腔内往复循环；出射的另一部分激光束经第二偏振分光棱镜9输出腔外。
46.同理，第二激光光源15出射的激光束进入增益光纤17，还有一部分激光束经增益光纤17正向泵浦，由第一波分复用准直器3依次进入光栅4、光栅5、第一偏振分光棱镜6、旋光器7、第一半波片8、第二偏振分光棱镜9，由第二偏振分光棱镜9水平输出腔外，但是这部分激光束未进入腔内循环，直接由第二偏振分光棱镜9水平输出，因此这部分激光束没有放大频率的效果，输出后不能应用于高重频飞秒脉冲输出。
47.第二波分复用准直器14和第二偏振分光棱镜9之间设有第二半波片13，由第二波分复用准直器14出射的激光束，经第二半波片13射向第二偏振分光棱镜9后，其中一部分激光束由第二偏振分光棱镜9射向反射镜12，再由反射镜12反射后，经增益光纤17的第一端返回腔内。另一部分激光束由第二偏振分光棱镜9水平输出腔外。
48.通过旋转第二半波片13，可以控制光纤振荡器腔内、腔外的功率比例，使进入腔内和输出腔外的激光束按需要分配，满足不同的需求。
49.综上，本技术实施例提供的光纤振荡器，第一波分复用准直器3、第二波分复用准直器14和增益光纤17构成了光纤放大器，这个光纤放大器没有无源光纤，能够提升重复频率；光栅4、光栅5为光纤振荡器提供了色散补偿，可以获得飞秒激光的输出。第一偏振分光棱镜6、旋光器7、第一半波片8、第二偏振分光棱镜9构成了空间隔离器；通过旋转第一半波片8，可以保证激光沿着逆时针方向运转，激光束由增益光纤17的第二端出射后，一部分激光束依次经第二偏振分光棱镜9、四分之一波片10、平凸透镜11，反射镜12，由反射镜12反射，再依次经过平凸透镜11、四分之一波片10、第二偏振分光棱镜9、第一半波片8、旋光器7、第一偏振分光棱镜6、光栅5、光栅4，从增益光纤17的第一端进入环形光路，在腔内往复循环。四分之一波片10、平凸透镜11、反射镜12构成了线性臂，以和环形光路形成σ腔型结构。通过旋转四分之一波片10，可以使经过第二偏振分光棱镜9竖直向下传输的s偏振的光转变成p偏振态，从而透过第二偏振分光棱镜9竖直向上传输，从增益光纤17的第一端进入环形光路，在腔内往复循环；激光束通过平凸透镜11，聚集至反射镜12，发生可饱和吸收作用。通过旋转第二半波片13，可以控制光纤振荡器腔内外的功率比例，一部分激光束沿着水平方向通过第二偏振分光棱镜9输出到腔外。这个紧凑型的谐振腔设计，使激光器输出的脉冲重复频率能够提升至ghz量级。
50.本技术实施例提供的光纤振荡器，利用可饱和吸收材料的反射镜12和σ腔型结构的配合形成被动锁模(sesam)，能够获得高重频飞秒脉冲输出，可输出功率500mw、脉宽小于200fs、重复频率500mhz的锁模脉冲，能够实现自启动，具有可重复性。利用这种紧凑的σ腔型结构，通过优化机械结构和机壳设计，具有更高的输出功率，能够将重频提升至ghz以上。并且，增益光纤17使用保偏光纤，采用全保偏结构，与非保偏光纤相比，具有较好的环境免疫能力，不易受振动和温度漂移等环境扰动的影响；紧凑的σ腔型结构，使得增益光纤17的长度较短，紧凑的σ腔型结构使得激光器输出脉冲重复频率能够提升至ghz以上；通过线性臂，实现可饱和吸收体被动锁模(sesam)方式锁模，与非线性偏振演化锁模方式相比，后者依赖于自相位调制和交叉相位调制作用引起的非线性向移作用在两个正交偏振分量上，使脉冲的偏振态发生非线性演化，对脉冲的偏振态要求更高，并且易受外界扰动的影响；而本技术实施例提供的光纤振荡器，采用的sesam锁模方式更易实现锁模自启动，稳定性更高；
能够输出脉宽小于200fs的脉冲，能满足在精密加工测量以及成像技术等方面的应用。
51.以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。